调速系统调节器设计及变负载扰动下磁场突然减半matlab仿真(运动控制课程设计)

1、摘要随着社会化大生产的不断发展，电力传动装置在现代化工业生产中的得到广泛应用，对其生产工艺、产品质量的要求不断提高，这就需要越来越多的生产机械能够实现制动调速，因此我们就要对这样的自动调速系统作一些深入的了解和研究。 本次设计的课题是双闭环晶闸管不可逆直流调速系统，包括主电路和控制回路。主电路由晶闸管构成，控制回路主要由检测电路，驱动电路构成，检测电路又包括转速检测和电流检测等部分。关键字：电力拖动、控制、直流调速、matlabI武汉理工大学电力拖动与控制系统课程设计说明书目录1设计任务与设计要求11.1设计任务11.2设计要求12 双闭环直流调速系统的介绍12.1 双闭环直流调速系统的组成3

2、2.2 双闭环直流调速系统的稳态结构图和静特性43系统设计与参数计算53.1 系统结构设计53.2 系统参数计算63.2.1电流调节器的设计63.2.2 转速调节器的设计84matlab仿真分析95心得体会14参考文献15武汉理工大学电力拖动与控制系统课程设计说明书调速系统调节器设计及变负载扰动下磁场突然减半matlab仿真1设计任务与设计要求1.1设计任务不可逆的生产设备，采用双闭环直流调速系统，其整流装置采用三相桥式整流电路，系统的基本数据如下：直流电机：允许过载倍数时间常数：晶闸管装置放大倍数： 电枢回路总电阻：电流反馈系数：转数反馈系数：。1.2设计要求（）在负载和电网电压的扰动下稳态

3、无静差（）动态指标：电流超调量，空载启动到额定的转速超调量。（）利用matlab对双闭环系统仿真。2 双闭环直流调速系统的介绍双闭环（转速环、电流环）直流调速系统是一种当前应用广泛，经济，适用的电力传动系统。它具有动态响应快、抗干扰能力强的优点。我们知道反馈闭环控制系统具有良好的抗扰性能，它对于被反馈环的前向通道上的一切扰动作用都能有效的加以抑制。采用转速负反馈和PI调节器的单闭环调速系统可以在保证系统稳定的条件下实现转速无静差。但如果对系统的动态性能要求较高，例如要求起制动、突加负载动态速降小等等，单闭环系统就难以满足要求。这主要是因为在单闭环系统中不能完全按照需要来控制动态过程的电流或转矩

4、。在单闭环系统中，只有电流截止负反馈环节是专门用来控制电流的。但它只是在超过临界电流值以后，靠强烈的负反馈作用限制电流的冲击，并不能很理想的控制电流的动态波形。带电流截止负反馈的单闭环调速系统起动时的电流和转速波形如图2.1（a）所示。当电流从最大值降低下来以后，电机转矩也随之减小，因而加速过程必然拖长。IdLntIdOIdmIdLntIdOIdmIdcrnn(a)(b) (a)带电流截止负反馈的单闭环调速系统起动过程 (b)理想快速起动过程图2.1 调速系统起动过程的电流和转速波形在实际工作中，我们希望在电机最大电流（转矩）受限的条件下，充分利用电机的允许过载能力，最好是在过渡过程中始终保持

5、电流（转矩）为允许最大值，使电力拖动系统尽可能用最大的加速度起动，到达稳定转速后，又让电流立即降下来，使转矩马上与负载相平衡，从而转入稳态运行。这样的理想起动过程波形如图2.1（b）所示，这时，启动电流成方波形，而转速是线性增长的。这是在最大电流（转矩）受限的条件下调速系统所能得到的最快的起动过程。实际上，由于主电路电感的作用，电流不能突跳，为了实现在允许条件下最快启动，关键是要获得一段使电流保持为最大值的恒流过程，按照反馈控制规律，采用某个物理量的负反馈就可以保持该量基本不变，那么采用电流负反馈就能得到近似的恒流过程。问题是希望在启动过程中只有电流负反馈，而不能让它和转速负反馈同时加到一个调

6、节器的输入端，到达稳态转速后，又希望只要转速负反馈，不再靠电流负反馈发挥主作用，因此我们采用双闭环调速系统。这样就能做到既存在转速和电流两种负反馈作用又能使它们作用在不同的阶段。2.1 双闭环直流调速系统的组成为了实现转速和电流两种负反馈分别起作用，在系统中设置了两个调节器，分别调节转速和电流，二者之间实行串级连接，如图22所示，即把转速调节器的输出当作电流调节器的输入，再用电流调节器的输出去控制晶闸管整流器的触发装置。从闭环结构上看，电流调节环在里面，叫做内环；转速环在外面，叫做外环。这样就形成了转速、电流双闭环调速系统。该双闭环调速系统的两个调节器ASR和ACR一般都采用PI调节器。因为P

7、I调节器作为校正装置既可以保证系统的稳态精度，使系统在稳态运行时得到无静差调速，又能提高系统的稳定性；作为控制器时又能兼顾快速响应和消除静差两方面的要求。一般的调速系统要求以稳和准为主，采用PI调节器便能保证系统获得良好的静态和动态性能。图2.2 转速、电流双闭环直流调速系统图中U*n、Un转速给定电压和转速反馈电压；U*i、Ui电流给定电压和电流反馈电压； ASR转速调节器； ACR电流调节器；TG测速发电机；TA电流互感器；UPE电力电子变换器2.2 双闭环直流调速系统的稳态结构图和静特性Ks a 1/CeU*nUctIdEnUd0Un+-ASR+U*i-IdR R b ACR-UiUPE

8、图2.3：双闭环直流调速系统的稳态结构图双闭环直流系统的稳态结构图如图2.3所示，分析双闭环调速系统静特性的关键是掌握PI调节器的稳态特征。一般存在两种状况：饱和输出达到限幅值；不饱和输出未达到限幅值。当调节器饱和时，输出为恒值，输入量的变化不再影响输出，相当与使该调节环开环。当调节器不饱和时，PI作用使输入偏差电压在稳太时总是为零。实际上，在正常运行时，电流调节器是不会达到饱和状态的。因此，对静特性来说，只有转速调节器饱和与不饱和两种情况。1转速调节器不饱和这时，两个调节器都不饱和，稳态时，它们的输入偏差电压都是零，因此， （1-1） （1-2）由式（1-1）可得：从而得到静特性曲线的CA段

9、。与此同时，由于ASR不饱和，可知，这就是说，CA段特性从理想空载状态的一直延续到。而一般都是大于额定电流的。这就是静特性的运行段，它是一条水平的特性。2转速调节器饱和这时，ASR输出达到限幅值，转速外环呈开环状态，转速的变化对系统不再产生影响。双闭环系统变成了一个电流无静差的单电流闭环调节系统。稳态时： （1-3）其中，最大电流取决于电动机的容许过载能力和拖动系统允许的最大加速度，由上式可得静特性的AB段，它是一条垂直的特性。这样是下垂特性只适合于的情况，因为如果，则，ASR将退出饱和状态。图2.4 双闭环直流调速系统的静特性曲线3系统设计与参数计算3.1 系统结构设计根据所给条件以及指标要

10、求，确定系统为双闭环调速系统且调节器选用PI调节器典I结构。因为稳态无静差的要求，速度调节器和电流调节器均选用PI结构；因为电流超调量i<5%,空载启动到额定转速时的转速超调量n<10%。系统跟随性能较好，所以调节器选用典I系统。图3.1为双闭环调速系统的动态结构图。转速环电流环图3.1为双闭环调速系统的动态结构图3.2 系统参数计算3.2.1电流调节器的设计1）确定时间常数整流装置采用三相桥式全控整流电路，其平均失控时间Ts=0.0017s；电流滤波时间常数，三相桥式电路每个波头的时间是3.3ms，为了基本滤平波头，应有（12）=3.33ms，因此取=0.002s。电流环小时间常

11、数之和Ti=Ts+Toi=0.0037s。2）计算电流调节器参数电流调节器超前时间常数：电流环开环增益：要求i<5%时，查表得应取KITi=0.5，因此 于是，ACR的比例系数为KiKIiRKS135.1×0.03×0.540×0.051.0133）校验近似条件电流环截止频率：ci=KI=135.1s-1校验晶闸管整流装置传递函数的近似条件 满足近似条件校验忽略反电动势变化对电流环动态影响的条件 满足近似条件校验电流环小时间常数近似处理条件 满足近似条件4）计算调节器电阻和电容电流调节器原理图如图3.2如所示，按所用运算放大器取各电阻和电容值计算如下：取取取

12、图3.2含给定滤波和反馈滤波的PI型电流调节器按照上述参数，电流环可以达到的动态跟随性能指标为i=4.3%<5%满足设计要求3.2.2 转速调节器的设计1) 确定时间常数电流环等效时间常数,取KITi=0.5，则=2Ti=0.0074s转速滤波时间常数Ton。根据所用测速发电机纹波情况，取Ton=0.01s。转速环小时间常数Tn。按小时间常数近似处理，取Tn=0.0174s2）计算转速调节器参数转速调节器选用PI调节器，按跟随和抗扰性能都较好的原则，取h=5，则ASR的超前时间常数为可求得ASR的比例系数为3）校验近似条件转速环截止频率：电流环传递函数简化条件 满足简化条件转速环小时间常

13、数近似处理条件 满足近似条件4）计算调节器电阻与电容转速调节器原理图如图3.3所示，取则取470取0.2取1图3.3含给定滤波与反馈滤波的PI型转速调节器5）验证设计是否满足要求设理想空载起动时z=0,根据已知数据和求的的数据有：=1.5，R=0.5.Idn=136A,nN=1460r/min，Ce=0.132V min/r，Tm=0.18s，Tn=0.0174s。当h=5时，查表可得，带入式 中得：n8.31%<10%能满足设计要求。4matlab仿真分析如图4.1所示双闭环直流调速系统整体仿真图。图4.1双闭环直流调速系统仿真图系统能在变负载下稳定运行，电网扰动在ACR的调节下系统也

14、能稳定无静差的运行。设置仿真时间起始时间为0s，停止时间为1.5s，起动转速与起动电流仿真波形如图4.2所示。图4.2起动转速与起动电流仿真波形由图4.2所示，第1阶段是电流上升阶段，突加给定电压后，经过两个调节器的跟随作用，直流电机电枢电流迅速达到最大值并有一定的超调，在这一阶段中，ASR很快进入并保持饱和状态，而ACR一般不饱和。第2阶段保持最大承受电枢电流这个阶段电动机转速上升，在这个阶段中，ASR始终是饱和的，转速环相当于开环，系统成为在恒值电流给定下的电流调节系统，基本上保持电流恒定，因而系统的加速恒定，转速呈线性增长，是起动过程中的主要阶段。第3阶段转速调节阶段，转速环保持电动机转

15、速为额定值不变，在这个阶段ASR和ACR都不饱和，电流内环是一个电流随动子系统。图4.3Ud仿真波形如图4.3所示直流电流的仿真波形，在突然加给定时，直流电流迅速上升，很快进入稳定状态，在第1.5秒的时候由于电网扰动，直流电压有些波动，但很快得到抑制。在第2秒的时候磁场减半，由于前面两个调节器的作用，直流电压变为负，最终恢复稳定。图4.4ASR输出电压仿真波形如图4.4所示速度调节器输出电压仿真波形，在突然加给定时，速度调节器的比例环节马上反应输出成比例地放大输入，随着转速反馈的增大，速度调节器的输出减小，最终稳定。在第3秒时磁场突然减半，转速大大的上升，速度调节器输出为负值，随后稳定。图4.

16、5ACR输出电压仿真波形如图4.5所示，加上给定后，速度调节器迅速饱和，电流调节器的给定值即为速度调节器的饱和值，由于电流调节器也为PI调节器，所以也具有同速度调节器一样的特征，在此不再赘述。第1.5秒时，加入的电网电压扰动被电流环很好的抑制了。在第3秒时磁场突然减半，先是速度调节器输出为负，既而电流调节器输出为负，最终稳定。如图4.6所示，系统速度和电流总图，当系统1.5秒受电网电压干扰时，系统很快就能达到稳定状态，本系统干扰源用一个阶跃函数当在1.5秒时电压突然上升，系统通过反馈调节最后稳定转速和电流。当在3秒时磁场突然减半速度迅速上升然后又经过反馈速度最后稳定在磁场没减半之前的转速，这时

17、电流也下降经过一系列反馈调节电流稳定到之前的电流值。 图4.6起动转速与起动电流仿真总波形5心得体会 通过这次设计，我基本上掌握了直流双闭环调速系统的设计。具体的说，第一，了解了调速的发展史的同时，进一步了解了交流调速系统所蕴涵的发展潜力，掌握了这一方面未来的发展动态；第二，了解了双闭环直流调速系统的基本组成以及其静态、动态特性；第三，基本掌握了ASR、ACR（速度、电流调节器）为了满足系统的动态、静态指标在结构上的选取，包括其参数的计算；第四，运用MATLAB仿真系统对所建立的双闭环直流调速系统进行的仿真，与此同时，进一步熟悉了MATLAB的相关功能，掌握了其使用方法。平时看课本时，有时问题

18、老是弄不懂，做完课程设计，那些问题就迎刃而解了。而且还可以记住很多东西。认识来源于实践，实践是认识的动力和最终目的，实践是检验真理的唯一标准。本课程设计综合运用了自动控制原理、电力电子技术、电力拖动与控制技术等的知识，为了更好的完成设计，我又重新复习了一遍原来所学的知识，加深了对知识的理解，提高了对知识的应用能力，同时使我认识到了各个课程之间是紧密联系的。参考文献1 陈伯时.运动控制系统(第4版). 北京：机械工业出版社，20092 郑恩让.控制系统仿真. 北京：中国林业出版社，20063 郑阿奇. MATLAB实用教程. 北京：电子工业出版社，20044 王广雄. 控制系统设计. 北京：清华大学出版社，20055 王兆安. 电力电子技术（第4版）. 北京：机械工业出版社，2000本科生课程设计成绩评定表姓 名申廷进性 别男专业、班级电气1003班课程设计题目：调速系统调节器设计及变负载扰动下磁场突然减半matlab仿真课程设计答辩或质疑记录：1.转速调节器的作用是什么？答：转速调节器是调节系统的主导调节器，它使转速n很快的跟随给定电压变化，稳态时可减小转速误差，如果采用PI调节器则可实现无静差。对负载变化起抗扰作用。其输出限幅值决定电动机允许的最大电流。2.电流调节器有什么作用？答：作为内环的调节器，在转速外环的调节过程中，它的作用是使电流